航空物探磁力仪工作原理

一、光泵磁力仪工作原理。光泵磁力仪目前有二种设计方式。一种为跟踪式光泵磁力仪。如我们使用的氦光泵磁力仪就为跟踪式光泵磁力仪。另一种为自激式光泵磁力仪。如我们使用的加拿大铯光泵磁力仪及钾光泵磁力仪。

无论哪种设计形式，它们的原理都是一样的，只是在线路的处理上不同而已。

原理如下：高频振荡器发射的高频高压电磁场，将灯激发起辉发光。灯发出的D谱线通过透镜变为平行光再通过偏振片和λ/4片，使光变为旋转光，加强

了近20倍的光强，并滤掉了D谱线中的D

0，D

2

，只用D

1

谱线。进入气室，对气

室中的气体进行冲击，使气体中的外层电子，发生能级跳跃。

由低能级向高能级跳跃，由于状态不稳定，然后返回稳态能级取向。这时D

1

谱线很容易通过气室。返回亚稳态时，根据选择定律亚稳态的三个能级平均分布返回的电子，这样一个多次返复的过程，最后电子都集中在亚稳态上的第三个（+1）能级上。当电子由激发态返回亚稳态时，放出能量（发光）并绕地磁场旋进，旋进频率f0与地磁场及能级有以下关系：

△E=h*ν

△E为能级，h为比例常数，ν为每厘米内的波数，ν还可视为频率。

即△E∞H

0 f

∞H

(地磁场)

如，铯光泵磁力仪h常数为3.4986周/r(nT) （光轴与地磁场夹角45度信号最强，输出为拉莫频率。）

氦光泵磁力仪h常数为28.2356周/r(nT) 光轴与地磁场夹角0度信号最强，输出为拉莫频率。）

钾光泵磁力仪h常数为7.0000周/r(nT)，（光轴与地磁场夹角30度信号最强，输出已处理为地磁场值。）

1、跟踪式光泵磁力仪原理方框图如下：

与地磁场大小成正比。这样光泵磁力仪从物理意义上来看，即旋进频率f

就可直接测量地磁场了。

跟踪式光泵磁力仪是靠900周频率调制射频线圈中的射频变化来达到跟踪地磁场变化的，使f

和射频线圈中的射频相一致，发生光共振，破坏光室中的

取向，D 1谱光被最大吸收，过不去了。

跟踪过程如下：

D 1光线越强，a 点电压越低，D 1光线弱，a 点电压就高。光共振时a 点电压

最高

从晶体振荡器、分频器给压控振荡器一个900周低频信号，调制射频，发生光共振时，f 0处的低频调制输出为1800周，900周选频放大器工作输出为零。

不发生光共振时，低频调制输出为900周，由900周选频放大器放大后，再经积分器得到直流电压，来控制压控振荡器的输出频率，经多次的返复达到光共振，所以光共振时，射频f 0乘上一个1/28.03256，即为地磁场的γ(nT)值。

测频部分：Nx=K*△t*f 0

K 为倍频系数，△t 为开门时间，f 0为共振时的射频线圈中的频率，Nx 为读

数

f 0= Nx t

K ⋅∆⋅1 H=⋅02356.281f 0 所以H=Nx S t

K Nx ⋅=∆⋅⋅02356.28 S 为仪器灵敏度

2、自激式光泵磁力仪原理方框图如下：

高振使铯灯发光，铯谱线通过透镜变平行光又经偏振片，使光变为旋转光同时提高光的强度进入气室，冲击气室中的铯气原子外围电子，从低能级向高能级跳跃，之后又返回亚稳态，最后达到取向。当射频线圈中的射频频率与电子返回亚稳态时，放出能量，并绕地磁场进行旋进的频率相一致时，发生光共振。即射频频率，fx×1/3.4986就为地磁场值。只要有一点波动或外磁场变化，光敏元件就有输出，经前置放大器和相位补偿器给射频线圈起动器，来控制射频振荡器。这个返馈系统调至为正反馈，当放大倍数足够大时，就会产生自激，使射频与旋进频率发生共振，成为一个自激式振荡器。

3、辅助说明

a、高频振荡器（高振）

频率为30-50MHz，功率为20V×0.6A，输出为3-5W正弦波，没有寄生振荡、稳定性好（在100-200Hz变化之内）振幅也要稳定，与灯匹配要好。

b、偏振片

为侵碘赛路路片，怕潮、怕折。

c、λ/4片

为云母片、高透明度，厚度为40-50μm。

d、高压灯

为充入铯气、氦气，钾气的高压高频起辉灯。

f，光敏元件。

为锂漂移二极管，硅光敏二级管，或太阳能电池。

g、光泵磁力仪存在的问题

频移：频率不稳定与谱线强度、气室压力、光轴和地磁场H的夹角及缓冲气体有关。对铯来讲，谱线不对称也是频移的原因。

取向误差：对铯更为重要，光轴和地磁场夹角为45度的最佳，否则就有取向误差。

静差：是环路的相位、跟踪或自激不良造成。

动差：指电路跟踪外磁场变化的情况。

要求光泵磁力仪探头，使用时要减振，背光、防潮。

二、饱合式磁通门磁力仪（三分量磁力仪）

工作原理

此种磁力仪探头是利用高导磁率材料坡莫合金的磁化曲线的线性及饱和特性，实现磁电信号转换。来实现对地磁场的测量。它可以测量地磁场的x、y、z三个分量值，又可以测量地磁场的总场值。只是在设计仪器的方案上有所不同而已。测量地磁场的x、y、z三个分量时，只要将三个磁灵敏元件组成一个相互垂直的硬结构模型称为三分量饱和磁力仪探头。测量地磁总场时，就需要设计一个磁灵敏元件与一块正方形的长平板相垂直的硬结构模型。飞机在飞行测量中，使长平板的面时刻垂直于地磁总场，这样就保持了磁灵敏元件的轴向时实的与地磁总场方向一致，测得的值即为地磁总场值。无论是测量地磁场的x、y、z三个分量，

还是测量地磁总场值，均都需要三套同样的电子线路来完成。其中一套的工作原理方框图如下：

W f 为返馈线圈，W

1

为测量线圈，W

2

为激励线圈，坡莫合金在激励线圈强力的

激励下，坡莫合金的磁滞回线深度饱合，出现了非线性的特点。在地磁场中，就有以下现象出现。

测量线圈中的波形是由于坡莫合金在激励线圈强力的激励下，深度饱合形成非线性特点而引起的。这样的波形经富氏分解，它可为多种正弦谐波构成。可以分解成二次谐波、三次谐波……n次谐波组成。谐波的幅值越高次数越小。

经实验证实，其中的二次谐波幅值与地磁场大小成正比。这样我们就可以利用这一关系测地磁场了。